CN102944377A

CN102944377A - 一种安装在实验室或自然环境中的自然风物理模拟装置

Info

Publication number: CN102944377A
Application number: CN2012105060404A
Authority: CN
Inventors: 陈进
Original assignee: Shanghai Polytechnic University
Current assignee: Shanghai Polytechnic University
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2013-02-27

Abstract

一种安装在实验室或自然环境中的自然风物理模拟装置，包括：鼓风机、可变形风筒、旋转平台、风特性控制器、支架、圆盘轴承和计算机，其特征在于：所述的鼓风机安装在可变形风筒内，可变形风筒安装在旋转平台的圆盘轴承上，鼓风机通过圆盘轴承与支架连接，圆盘轴承与旋转平台电机连接，旋转平台电机旋转拖动鼓风机旋转；可变形风筒电机、鼓风机电机和旋转平台电机均由风特性控制器控制，计算机内置自然风模拟软件，风特性控制器与计算机之间采用RS233\RS485接口通信。本装置或其组合体所构成的自然风模拟环境是一种开放结构，不同于封闭的风洞模拟出封闭的自然风环境，无需大型工程施工，且占地少，造价低，是风洞这类模拟装置所不可替代的。

Description

一种安装在实验室或自然环境中的自然风物理模拟装置

技术领域

本发明涉及一种安装在实验室或自然环境中的自然风物理模拟装置，属于风能模拟实验技术领域，应用于风力发电、建筑、交通等行业。

背景技术

在新能源领域，风能是一种清洁的、可再生的、储量很大的能源,风力发电是具有大规模发展潜力的成熟的可再生能源技术。风力机及发电机系统是风能转化成电能的必要设备，风机结构、桨叶翼型、风力发电系统等机组或部件的开发测试与样机验证，都要用到自然风模拟装置，作为实验测试设备。

在交通行业中，汽车、轨道交通、风机等运输设备在样机开发中，需要在自然风速条件下测试其性能参数。风洞通常是必要的测试环境，自然风模拟装置是这类风洞中关键设备。

在建筑行业，高层建筑和高耸结构，如烟囱、电视塔等，对风载荷很敏感。方案论证中通常需要做物理模拟测试，风速物理模拟装置可以为建筑方案论证提供物理实验的必要设备。

目前，模拟自然风的风速大小和方向两个参数的风速模拟装置已有专利和论文，应用范围限于风速传感器的测试与标定等。实际上，自然风作为具有一定动能的一种物质，风速大小和方向只是描述其基本特性的两个参数，还有风的脉动特性，时程特性，随机分布特性等重要特性。模拟这些重要特性的手段，目前主要是数字模拟，即应用计算机仿真方法，数字计算模拟出自然风的这些特性，这方面已有许多论文报道，属于自然风的虚拟形态模拟。而从物理层面模拟自然风的这些特性的物理装置，无论专利还是论文均未见报道。目前国内外建立的风洞是自然风的一种很好的模拟手段，但是占地空间巨大，耗资巨大，运行费用很高。

发明内容

本发明公开了一种安装在实验室或自然环境中的自然风物理模拟装置，空间开放，可以有效克服现有的自然风模拟装置存在的空间封闭、不能适应大功率风机等大型装置的实物测试、占地空间巨大、造价巨大等问题。

本发明技术方案是这样实现的：

一种安装在实验室或自然环境中的自然风物理模拟装置，包括：鼓风机、可变形风筒、旋转平台、风特性控制器、支架、圆盘轴承和计算机。所述的鼓风机安装在可变形风筒内，可变形风筒安装在旋转平台的圆盘轴承上，鼓风机通过圆盘轴承与支架连接，圆盘轴承与旋转平台电机连接，旋转平台电机旋转拖动鼓风机旋转；可变形风筒电机、鼓风机电机和旋转平台电机均由风特性控制器控制，计算机内置自然风模拟软件，风特性控制器与计算机之间采用RS233\RS485接口通信。

所述的鼓风机包括：风力机、直流电机、和直流电机驱动器，鼓风机整体固定在可变形风筒固定端上，直流电机的电机轴与风力机连接，直流电机拖动风力机旋转产生风。直流电动机电源进线与该直流电机的驱动器连接。鼓风机在风特性控制器的控制下，风的动能、风的随机特性、时程特性、脉动特性是根据特定模型的随机过程特性曲线运动，从而使鼓风机吹出来的风具有自然风的特性。

所述的可变形风筒，用于与鼓风机配合改变风量大小和风的种类，由风特性控制器来的控制信号控制可变形风筒的电机，电机驱动可变性风筒的机械结构运动，改变可变形风筒内部形状和截面面积大小，与鼓风机风速大小配合，产生不同等级的风，按气象学分类为十二级；可变形风筒共有五个电机，四个安装在可变形风筒上、下、左、右方位，一个安装在出风方向；五个电机均是交流伺服电动机，每个交流伺服电动机配有交流伺服驱动器。

所述的旋转平台，它由旋转平台电机、圆盘轴承、支架组成，用于改变风的方向；旋转平台电机配有交流伺服驱动器。旋转平台电机定位精度为0.01度，拖动可变形风筒到任意角度，因此，可模拟出360度角的任意方位角度的风。

所述的风特性控制器，用于为鼓风机、可变形风筒的电机和旋转平台电机的驱动器提供控制信号，控制信号为标准0-5V直流信号；其中，给鼓风机的信号一个，给可变形风筒的信号五个，给旋转平台电机的信号一个。

所述的计算机内置自然风模拟模型软件，用于产生风的特性信号，并把风特性信号分解成几个控制信号，以数据格式方式传输给风特性控制器，由风特性控制器把这些数字信号转换成标准的0-5V信号。

所述的可变形风筒的内部为喇叭形结构，喇叭由一段圆管和一段喇叭口组成，圆管与喇叭口软链接。一段圆管由上下两个半圆管合围而成，上半圆管与交流伺服电机一连接，下半圆管与交流伺服电机五连接，交流伺服电机一和交流伺服电机五控制该段圆管直径大小；一段喇叭口由左半部分和右半部分组成，左半部分连接交流伺服电机三，右半部分连接交流伺服电机四，交流伺服电机三和交流伺服电机四控制喇叭口的角度；节流挡板安装在喇叭口之后，节流挡板与交流伺服电机二连接，交流伺服电机二控制节流挡板的开度。

将本发明装置组合使用，可以对大型和超大型自然风源进行模拟，为大型风机或建筑结构验证提供测试环境。

本发明的有益效果在于：本装置或其组合体所构成的自然风模拟环境是一种开放结构，不同于封闭的风洞模拟出封闭的自然风环境，本发明是在自然环境下模拟出自然风源，小型的可安装于实验室，大型或超大型的可安装于自然环境中，为大型风力发电机或高层建筑设计模型验证提供验证环境，无需大型工程施工，不仅节省大量人力物力资源，占地少，造价低，而且是风洞这类模拟装置所不可替代的。

附图说明

图1为本发明自然风物理模拟装置的系统原理框图；

图2自然风物理模拟装置的鼓风机原理框图；

图3自然风物理模拟装置的风特性控制器原理框图；

图4自然风物理模拟装置的可变形风筒电机安装位置示意图。

1、计算机，2、可变形风筒，3、鼓风机，4、圆盘轴承，5、旋转平台电机，6、支架，7、风特性控制器，8、风力机，9、直流电动机，10、可变形风筒固定端，11、直流电动机电源进线，12、微处理器模块，13、显示器，14、RS232/RS485接口，15、直流电机驱动器，16、交流伺服电机驱动器，17、交流伺服电机驱动器一，18、交流伺服电机驱动器二，19、交流伺服电机驱动器三，20、交流伺服电机驱动器四，21、交流伺服电机驱动器五，22、交流伺服电机一，23、交流伺服电机二，24、交流伺服电机三，25、交流伺服电机四，26、交流伺服电机五。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示：安装在实验室或自然环境中的自然风物理模拟装置，包括：鼓风机3、可变形风筒2、旋转平台、风特性控制器7、支架6、圆盘轴承4和计算机1。所述的鼓风机3安装在可变形风筒2内，可变形风筒2安装在旋转平台的圆盘轴承4上，鼓风机3通过圆盘轴承4与支架6连接，圆盘轴承4与旋转平台电机5连接，旋转平台电机5旋转拖动鼓风机3旋转；可变形风筒电机、鼓风机电机和旋转平台电机均由风特性控制器7控制，计算机1内置自然风模拟软件，风特性控制器7与计算机1之间采用RS233\RS485接口14通信。

由计算机1计算出风的特性参数，并把风特性信号分解成几个控制信号，以数据通信方式，通过计算机通用串行通信接口传输给风特性控制器7的RS232/RS485通信接口14，风特性控制器7把这些数字信号转换成标准的0-5V信号。风特性控制器7的风速大小信号与鼓风机3的电机驱动器连接，实现风速大小调节；风特性控制器7的交流伺服电机驱动器一17、交流伺服电机驱动器二18、交流伺服电机驱动器三19、交流伺服电机驱动器四20、交流伺服电机驱动器五21分别与可变形风筒的交流伺服电机一22、交流伺服电机二23、交流伺服电机三24、交流伺服电机四25、交流伺服电机五26连接，调节可变形风筒2的内部结构，改变风量大小；风特性控制器7的交流伺服电机驱动器16与旋转平台电机5的电源输入端11连接，旋转平台电机5拖动圆盘轴承4运动，圆盘轴承4拖动鼓风机3旋转，从而改变风的变化方向，得到模拟的自然风。旋转平台电机5是交流伺服电机，角度控制精度0.01度，因此，风的方向控制精度高。

图2为本发明鼓风机原理框图。鼓风机由风力机8、直流电机9、电源进线11和直流电机的驱动器15构成，鼓风机整体固定在可变形风筒固定端10上，直流电机9的电机轴与风力机8连接，直流电机9拖动风力机旋转产生风。直流电机9的电源进线11与该直流电机的驱动器15连接。

图3为本发明风特性控制器原理框图。微处理器模块12为核心部件，显示器11显示风的特性参数，微处理器12通过RS232/RS485接口接收由计算机1的RS232串口传输来的风特性信号的变换成标准的0-5V信号，其中风速大小信号与直流电机驱动器15的输入端连接，直流电机驱动器15的输出与直流电动机电源进线11连接，为直流电机提供驱动电源；其中风的方向信号与交流伺服电机驱动器16的输入端连接，交流伺服电机驱动器16的输出连接旋转平台电机5，为旋转平台电机5提供驱动电源；其中的风量大小信号有五个，分别连接与交流伺服电机驱动器一17、交流伺服电机驱动器二18、交流伺服电机驱动器三19、交流伺服电机驱动器四20、交流伺服电机驱动器五21的输入端连接，这五个交流伺服电机驱动器的输出分别与可变形风筒交流伺服电机一22、交流伺服电机二23、交流伺服电机三24、交流伺服电机四25、交流伺服电机五26的电源端连接，为这5个可变形风筒的交流伺服电机提供驱动电源。

图4为本发明可变形风筒电机安装位置示意图。在可变形风筒的上方安装有交流伺服电机一22，在可变形风筒的下方安装有交流伺服电机五26，在可变形风筒的左侧安装有交流伺服电机三24，在可变形风筒的右侧方安装有交流伺服电机四25，这4个电机用于调节这四个方向的喇叭形构件，改变喇叭口的大小和形状，在出风口方向安装有一个交流伺服电机23，用于调节可变形风筒内截面挡板开度大小，控制风量。

可变形风筒2的内部为喇叭形结构，喇叭由一段圆管和一段喇叭口组成，圆管与喇叭口软链接。一段圆管由上下两个半圆管合围而成，上半圆管与交流伺服电机一22连接，下半圆管与交流伺服电机一五26连接，交流伺服电机一22和交流伺服电机一五26控制该段圆管直径大小；一段喇叭口由左半部分和右半部分组成，左半部分连接交流伺服电机三24，右半部分连接交流伺服电机一四25，交流伺服电机三24和交流伺服电机四25控制喇叭口的角度；节流挡板安装在喇叭口之后，节流挡板与交流伺服电机二23连接，交流伺服电机二23控制节流挡板的开度。

计算机内置软件有自然风的各种模型，通过计算机输出控制指令给风特性控制器，风特性控制器控制鼓风机的电机、可变形风筒电机和旋转平台电机按特定模型运动，从而得到的具有各种类型的模拟自然风，为风力资源开发利用研究提供实验验证风源。自然风模拟模型软件可以用多种计算机软件工具开发，如MATLAB,C++,VB等，该软件可以不断升级更新，使自然风模拟模型与真实自然风之间的误差不断减小，直至完全吻合。

Claims

1.一种安装在实验室或自然环境中的自然风物理模拟装置，包括：鼓风机、可变形风筒、旋转平台、风特性控制器、支架、圆盘轴承和计算机，其特征在于：所述的鼓风机安装在可变形风筒内，可变形风筒安装在旋转平台的圆盘轴承上，鼓风机通过圆盘轴承与支架连接，圆盘轴承与旋转平台电机连接，旋转平台电机旋转拖动鼓风机旋转；可变形风筒电机、鼓风机电机和旋转平台电机均由风特性控制器控制，计算机内置自然风模拟软件，风特性控制器与计算机之间采用RS233\RS485接口通信。

2.根据权利要求1所述的一种安装在实验室或自然环境中的自然风物理模拟装置，其特征在于：所述的鼓风包括风力机、直流电机和直流电机驱动器，鼓风机整体固定在可变形风筒固定端上，直流电机的电机轴与风力机连接，直流电机拖动风力机旋转产生风；直流电动机电源进线与该直流电机的驱动器连接，鼓风机在风特性控制器的控制下，风的动能、风的随机特性、时程特性、脉动特性是根据特定模型的随机过程特性曲线运动，从而使鼓风机3吹出来的风具有自然风的特性。

3.根据权利要求1所述一种安装在实验室或自然环境中的的自然风物理模拟装置，其特征在于：所述的可变形风筒，用于与鼓风机配合改变风量大小和风的种类，由风特性控制器来的控制信号控制变形风筒的电机，电机驱动可变性风筒的机械结构运动，改变风筒内部形状和截面面积大小，与鼓风机风速大小配合，产生不同等级的风，按气象学分类为十二级；可变形风筒共有五个电机，四个安装在风筒上下左右方位，一个安装出风方向；五个电机均是交流伺服电动机，每个交流伺服电动机配有交流伺服驱动器。

4.根据权利要求1所述的一种安装在实验室或自然环境中的自然风物理模拟装置，其特征在于：所述的旋转平台，它由旋转平台电机、圆盘轴承、支架组成，用于改变风的方向；旋转平台电机配有交流伺服驱动器；旋转平台电机定位精度为0.01度，拖动可变形风筒到任意角度，因此，可模拟出360度角的任意方位角度的风。

5.根据权利要求1所述的一种安装在实验室或自然环境中的自然风物理模拟装置，其特征在于：所述的风特性控制器，用于为鼓风机、可变形风筒的电机和旋转平台电机的驱动器提供控制信号，控制信号为标准0-5V直流信号；其中，给鼓风机的信号一个，给可变形风筒的信号五个，给旋转平台电机的信号一个。

6.根据权利要求1所述的一种安装在实验室或自然环境中的自然风物理模拟装置，其特征在于：所述的计算机内置自然风模拟模型软件，用于产生风的特性信号，并把风特性信号分解成几个控制信号，以数据格式方式传输给风特性控制器，由风特性控制器把这些数字信号转换成标准的0-5V信号。

7.根据权利要求1所述的一种安装在实验室或自然环境中的自然风物理模拟装置，其特征在于：所述的可变形风筒的内部为喇叭形结构，喇叭由一段圆管和一段喇叭口组成，圆管与喇叭口软链接；一段圆管由上下两个半圆管合围而成，上半圆管与交流伺服电机一连接，下半圆管与交流伺服电机五连接，交流伺服电机一和交流伺服电机五控制该段圆管直径大小；一段喇叭口由左半部分和右半部分组成，左半部分连接交流伺服电机三，右半部分连接交流伺服电机四，交流伺服电机三和交流伺服电机四控制喇叭口的角度；节流挡板安装在喇叭口之后，节流挡板与交流伺服电机二23连接，交流伺服电机二23控制节流挡板的开度。